激光表面改性技术
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测
激光技术在原位材料表面改性过程中效果检测激光技术在材料表面改性中广泛应用于增强材料性能、提高材料加工效率和改善表面特性。
在激光加工过程中，准确评估激光对材料表面的影响是至关重要的。
因此，激光技术的效果检测成为了原位材料表面改性过程中的一个重要环节。
激光技术的改性过程可以通过各种方式进行监测和评估。
其中，最常用和有效的方法之一是利用表面形貌分析技术，例如扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。
这些技术可以提供高分辨率的图像，用于观察和测量材料表面的形态变化、微观结构和纳米尺度的特征。
通过比较激光加工前后的表面形貌图像，可以定量评估激光对材料表面的改性效果。
除了表面形貌分析，还可以利用光谱分析技术来评估激光改性的效果。
例如，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱可以提供材料的化学成分和分子结构信息。
这些技术可以用于检测激光引起的化学变化、物质转化和表面基团的变化。
通过分析光谱特征的变化，可以确定激光加工对材料的影响及其改性效果。
此外，还可以利用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术来评估激光改性的效果。
XRD可以提供材料的晶体结构信息，通过比较激光加工前后的XRD图谱，可以观察晶格的变化情况。
XPS可以提供表面元素的化学状态和组成信息，通过分析XPS光谱，可以确定激光改性引起的表面化学变化。
除了以上常用的检测方法，还可以利用热重分析（TGA）、显微硬度测试、电子顶角测试等方法来评估激光改性的效果。
这些方法可以从不同的角度对激光加工前后的材料进行测试和分析，进一步确认激光对材料表面的改性效果。
在进行激光技术的效果检测时，还需要注意一些问题。
首先，合适的样品制备和测试条件是保证测试结果准确性的重要因素。
样品表面的准备和处理过程应遵循一定的规范，以确保样品表面的一致性和可重复性。
此外，测试条件的选择也需要根据不同的材料和激光参数进行适当的调整，以确保测试结果的可靠性。
总结起来，激光技术在原位材料表面改性过程中的效果检测至关重要。
激光技术在材料表面处理中的应用
激光技术在材料表面处理中的应用随着科学技术的发展，激光技术已经成为现代产业化生产和科学研究领域中不可或缺的一种重要手段。
作为一种高能量密度的光束，激光的应用领域十分广泛，从原子物理到生物医学，都有激光的身影。
在材料领域，激光技术也具有独特的优势，特别是在材料表面处理中的应用，可以帮助优化材料表面性能并提高材料的使用寿命。
一、激光技术在表面改性中的基本原理激光技术在材料表面处理中的应用，主要是通过激光与材料表面的相互作用来实现的，其基本原理是激光的高能量密度可以激发材料表面的原子和分子，使其发生化学、物理、热力学等方面的变化。
具体地说，可以通过以下几种方式实现材料表面改性：1. 激光熔覆（Laser cladding）：激光对工件表面进行扫描，使其局部区域的温度升高，材料表面开始熔化，在划定的熔化区域内加入合适的材料粉末，激光和粉末共同作用下，在工件表面形成一层新材料，使其表面性能发生变化。
2. 激光表面取样（Laser surface modification）：激光瞄准材料表面，通过光热相互作用，使表面材料脱除一层钝化层，进而暴露出活性原子，修改表面化学性质并增加表面粗糙度和表面活性，从而提升材料的附着性、耐磨性和耐腐蚀性等表面性能。
3. 激光刻蚀（Laser etching）：激光在材料表面划出图案、文字或图像，因为激光线的有效能量密度特别高，在表面材料上形成一定的切迹，从而实现表面形貌、颜色的微细调整。
特别是在制造微电子领域，激光刻蚀技术具有广泛应用。
到这里，读者应该对激光技术在材料表面处理中的基本原理和方式有了大概的了解。
下面，我们来说说激光技术在材料表面处理中的具体应用。
二、激光技术在材料表面处理中的应用实例（1）激光表面取样改性激光表面取样改性是通过激光加热局部区域，使其超过材料的熔点，从而使材料表面瞬间升温，并脱除表面氧化层，从而获得更好的表面附着性能和低粘附性。
例如，有研究发现，对于钢材，在激光处理后的表面粗糙度显著增加，疏水性油(切削液)的接触角也大幅度提高。
(完整版)激光表面改性技术
1.什么是激光表面改性技术？
一般原理 激光与材料表面相互作用过程
一般原理
激光表面改性技术是采用高功率密度的激光器，利用光学 聚焦透镜将激光束聚焦，从而获得很高的激光功率密度和温度。 以非接触的方式，照射到材料表面，使金属材料表面在瞬间 （毫秒甚至微秒级）被加热或熔化后，借助于材料表面自身传 导快速冷却。在激光束与材料表面相互作用的过程中，通过热 效应及化学反应等方式，改变材料表面的组织结构、物理性能、 化学成分、应力状态等，从而改善材料表面性能（如耐磨性、 耐腐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等）的工艺方法。
b 优点： ①一般不添加合金元素。 ②熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 ③在熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 ④同时极冷重结晶获得的组织具有较高的硬度、
耐磨性、抗蚀性
c 用
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。
效率加工。 ③ 激光表面处理技术改性机理还不完善，温度场的测定还
不够精确，激光表面处理加工过程中的热应力、热应变和 加工后的残留应力问题没有很好理论解释。 ④激光表面处理工艺参数、材料性能 以及表面状况（如吸 光率）等处理后表层性能的影响研究不完善。 ⑤ 设备昂贵，一次性投入高。
（2）前景
① 利用激光表面处理技术，在一些表面性能差和价 格便宜的基体金属表面获得合金层，用以取代昂 贵的整体合金，节约贵金属和材料，使廉价材料 获得应用，从而大幅度降低成本。
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解
激光表面改性技术——激光毛化技术讲解2014 项目申请表主要性能、特色、应用范围及市场远景：一、主要性能、特色激光毛化技术（ Laser Texturing 或 Laser Surface Texturing，LT 、LST）是将经过特别调制的高能量密度脉冲激光束聚焦后照耀到资料表面，资料汲取激光能量后温度高升，并产生融化、气化形成光致等离子体等阶段。
使资料在表面一个细小地区内融化，形成熔池。
在表面张力或协助气体的作用下，熔池会发生变形。
当光束停止照耀时，因为迅速的热传导，熔池会很快凝结，这样就会形成一个边沿微凸的毛化坑，假如需要还能够将必定成分的协助气体吹向熔池，以获得特定容貌的毛化坑。
经过控制激光束和资料的相对运动，就能够在资料表面形成一系列平均散布的毛化坑。
资料表面的激光毛化过程中的组织变化，相当于是一次迅速激光淬火，即相变硬化过程，能够提升被加工资料（如轧辊等）的表面硬度及耐磨性，进而提升其使用寿命。
与传统的喷丸毛化办理及电火花毛化办理技术对比，激光毛化技术拥有以下特色：1.可控性高，经过控制激光毛化过程及协助气体量的大小，在资料表面能够获得随意的毛化容貌及粗拙度；2.环境友善，毛化过程中，不产生任何对环境有害的物质；3.毛化表面的性能可控，可经过改变激光毛化的气体气氛或经过在需毛化的资料表面预铺设相应的资料，在毛化过程中，调控毛化层组织，实现毛化层所需的性能要求；4.工艺流程简洁，激光毛化对资料表面要求较低，无需预办理；5.加工速度快，性价比高；6.加工资料不受限制，激光毛化技术是利用激光热效应的原理，可在随意金属及非金属表面实现毛化办理；7.战胜毛化过程中出现的划痕、边浪。
二、应用范围及市场远景在工业生产微细化、精细化、智能化、自动化的迅速发展的今日，波及了光学、摩擦学、生物医学、资料学、流体动力学等，拥有高可控性、高效率、高性能、高性价比、高附带值和环境友善特征的激光毛化技术，合用于随意资料的表面毛化办理领域，如钢铁轧板及轧辊的表面毛化，拥有极好的市场及发展远景。
激光表面改性技术
激光表面改性技术1. 激光束的产生及原理；2. 激光束的特点；3. 激光束表面处理的特点；4.反应过程5. 应用（常见的激光表面处理工艺）。
激光表面改性技术，是应用光学透镜将激光束聚集带很高的功率密度与很高的温度，照射各种材料表面，借助于材料的自身传导冷却，实现材料表面改性的方法。
通过激光表面改性，可大幅度提高材料或零件部件的性能和寿命，获得极大的社会效益和经济效益，其应用前景十分广阔。
一、激光束的产生某些具有亚稳态能级结构的物质（如氦、氖、二氧化碳）受外界能量激发时，使其处于亚稳态能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，具有这种特性的物质称为激活介质。
将激活介质置于两个反射镜之间，其中一个反射率为100%的全反射镜，相对的一个是反射率为50%~90%的部分反射镜。
在光学谐振腔内，激活介质受到激发而产生光子辐射，使辐射不断加强。
遇有反射镜的存在，光子在两个反射镜间不断传播、反射，沿轴线方向不断连锁地进行下去，形成光震荡，最后由部分反射镜的输出端发射出来的频率、相位、传播和振动方向完全相同的光子成为激光束。
二、激光束的特点自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光技术已得到了很大的发展，并在国民经济各个领域得到广泛的应用。
与其他光源相比，激光束具有许多突出的特点。
（1）高功率密度（高亮度）：与其他光源相比，激光光源发射激光束的功率密度较大，经过光学透镜聚集后，功率密度进一步增强，可达1014/cm2，焦斑中心温度可达几千度至几万度，比太阳的表面亮度高1010倍。
（2）方向性好：激光可认为是近似平行光束，因为激光束的发散角小到0.1mrad，是其他光源无法达到的。
因此，激光在传输过程中的能量损失很小，可利用光学透镜把高功率密度的激束光导向设定的零件部件部位。
（3）高单色性：激光源发出的激光是具有相同的位相与波长，光谱线宽可调节到10-7Ao，比其他单色性最好光源的谱线宽度小几个数量级。
三、激光束表面处理的特点与其他表面处理技术相比，激光表面处理具有如下特点：1.激光束处理表面后材料表面的化学均匀性很高，晶粒细小，因而表面硬度高，耐磨性好。
11-表面工程技术PPT模板
1 渗钛与离子渗氮复合处理
2 渗碳、渗氮、碳氮共渗与渗硫复合处理
3 液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化
4 激光与离子渗氮复合处理
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1.3 复合表面处理技术
2．表面覆层技术与其他表面处理技术的复合
表面覆层技术与其他表面处理技术 的复合，即利用各种工艺方法在工件表 面上形成各种覆层，如镀层、涂层、沉 积层或薄膜，经过适当的热处理，使覆 层中的金属原子向基体扩散，或与基体 进行冶金熔合，不仅可增强覆层与基体 的结合强度，同时也能改变表面覆层本 身的成分，防止覆层剥落，并可提高覆 层的强韧性，提高表面的抗擦伤力、耐 磨损和耐腐蚀能力。
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1.2 表面覆层技术
1．热喷涂
火焰喷涂
等离子喷涂
如 图 4-5 所 示 ， 火 焰 喷 涂 借 助 高 速
气流将喷涂的粉末吸入火焰区，加热到
熔融或高塑性状态后喷射到粗糙的基体
表面形成涂层；或将线材或棒材送入氧-
乙炔火焰区加热熔化，借助压缩空气使
其雾化成颗粒，再喷向粗糙的基体表面 形成涂层。
激光表面熔覆是采 用大功率激光束扫 描金属表面，将选 定的材料熔化到金 属表面，形成具有 硬度高、耐磨性好、 抗腐蚀等特性的涂 覆层。
激光表面熔凝是 采用高能量密度 的激光，使材料 表面层快速熔化， 然后依靠材料自 身快速冷却凝固， 从而获得非常细 密的非平衡快速 凝固组织。
激光表面合金化是 利用高能量的激光 束使根据需求加入 的合金涂层与基体 金属表面混合熔化， 在极短的时间内， 形成与基体不同化 学成分和结构的表 面合金层。
热喷涂技术采用气体、液体或电弧、 等离子、激光等作为热源，将金属、合金、 陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及其复合 材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速 气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预 处理的工件表面，从而形成附着牢固的表 面层。
激光表面改性技术
1激光表面改性技术发展历程激光的发明及应用是20世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一，激光技术在材料科学及制造科学中的应用，大大促进了材料科学与工程及先进制造技术的发展激光表面改性是运用高能激光束对工件表面进行改变性能的技术，具有许多独有的特点。
从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。
20世纪70年代中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。
经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用，获得了良好的社会效益和经济效益。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。
激光具有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的能最密度高（可达104-108 M/cm2)，作用于工件表面时形成局部高温，基体的加热速度和冷却速度极快，般可达104-108 ℃/S。
与传统的热加工技术相比，激光加工对基体的热影响区小得多，因此工件一般不产生热变形或变形量极小。
此外，由于激光加工是光子与材料相互接触，故而对环境的污染小，是名副其实的绿色加工技术。
进行激光表面改性处理的目的是为了制取与基体性能有较大差异的改性层，它包括激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等技术。
激光淬火是运用高能激光束对工件以定速度进行扫描，使工件在激光照射下瞬间达到相变点以上高温，然后以极高的速度冷却，达到表面淬火的效果。
激光表面合金化是添加某一种或几种合金元素在基体表面，在激光束的照射下形成熔池，并与基体材料发生冶金反应，获得含基体元素和添加元素的合余改性层。
激光表面改性技术
（5）激光表面合金化
a 原理：利用高能密度的大功率激光束将基底材料局部 区域表面加热到一定固态温度或形成一层薄的熔区， 通过扩散或添加合金元素或化学反应，改变表面化学 成分以改善材料表面的性能。 b 优点：①可利用气体或液体材料作为合金元素 ②合金化层组织小，结构致密，气孔率低 ③无需以工件作为电极传导，粉末材料和基体 材料使用面广 ④ 热影响区小，工件变形小 c 用途：常用于在磨损、腐蚀、高温氧化等工作条件下 的工件表面强化，以及修复磨损件。
（4）激光冲击强化
a 原理：指利用高能量密度、短脉冲激光扫描材料表面，由 于材料吸热后升华气化而急速膨胀甚至等离子体化，并引 起爆炸波以及在表面产生冲击波，从而使材料表面强化的 技术。在激光与材料相互作用的过程中，由于高压冲击应 力波的产生，使材料表面产生塑性变形，形成大量的高密 度位错和残余压力，从而可大幅度提高材料表面的硬度和 抗疲劳性。 b 优点：①可在空气中进行，对基体材料不产生畸变。 ②可冲击强化精加工工件的曲面（如齿轮、轴承 等） c 用途：提高材料抗疲劳寿命
总之：激光表面改性技术在改善和强化材料表面性 能，提高材料的使用寿命方面具有突出的优越性。
3.激光表面改性技术的分类
激光熔覆、激光淬火、激光表 面熔凝、激光表面冲击强化、 激光表面合金化
（1）激光熔覆（亦称为激光包覆，或者激光 熔敷）
a 原理：通过在基体材料（基材）表面添加一层熔覆材 料，再利用高能密度的激光束对其表面辐射加热， 使基材表面薄层和熔覆材料发生熔化，由于材料自 身热传导作用，被辐射后的材料表面迅速冷却温度 降低，并快速凝固形成一层与其为冶金结合的填料 熔覆层。 b 方法：一步法（同步送料法）和预置法 （P5 –P6） c 优点：①涂层与基材集合好，熔覆组织致密。 ②降低材料成本，降低能源消耗，节约贵重稀 有金属。 d 用途：材料表面改善和修复
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激光物理气象沉积 激光诱导液相沉积
激光增强电镀
激光化学气相沉积
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激光淬火技术
激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上， 金属熔化以前，依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变硬化的实质是 马氏体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体 也被显著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料硬度要提高，低 碳钢也能提高一定的硬度。
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优点
与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、 组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变 化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
激光表面改性技术及其优点
激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材 料表面，在材料表面形成一定厚度的处理层，借助于材料表面本身传导 冷却，来实现其表面改性的工艺方，可以改善材料表面的力学性能、冶 金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能 以满足各种不同的使用要求。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天 、机械、电器、兵器和汽车制造行业。
优点
（1）工件表面强度高，比常规淬火高5%-20% （2）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小 （3）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化 （4）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化 （5）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小
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激光冲击硬化
利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速 膨胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金 属材料的物理机械性能。
激光冲击硬化原理示意图
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优点
（1）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。 （2）大大提高材料的强度和硬度。这项新技术最显著的特点 （3）最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。（由于激光冲
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激光表面改性技术
优点
(1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化： (2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小； (3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线： (4)改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低； (5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材； (6)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全 设施。
激光技术的发展历史
激光加工技术的研究始于20世纪60年代。但到20世纪70年代初研制出 大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。1973年，美国
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AVCO公司提出了金属表面激光热处理的设想；1974年申请了世界上第一 个激光熔覆专利，并在近十年内得到迅速发展。
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激光表面 改性技术的分类
激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分
分成两大类：
不改变基材成分
激光淬火(激光相变硬化)
激光退火 激光非晶化 激光极化 激光清洗 激光熔凝淬火 激光冲击硬化 激光组织细化
激光表面改性技术
激光熔覆
激光合金化
改变基材成分
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激光表面熔覆
激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔 化到金属表面，形成具有硬度高、耐覆技术示意图
1.短型光束或高斯型光束 2. 气动送粉 3. 测量孔 4. 振动器 5. 粉末漏斗箱 6.CO2 气体激光束高频振动 7. 样品运动（25.4~76.2cm/min） 8. 样品（UDMET-700） 9. 熔覆厚度 10. 熔覆层
击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的表面粗糙度，非常 适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）
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激光表面合金化
利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基 体金属表面混合熔化，在极短的时间内，形成不同化学成分 和结构表面的合金层。
激光表面熔凝
激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，将材料表面层熔化， 然后依靠材料自身快速冷却凝固。利用激光表面熔凝技术实现材 料表面局部的快速加热和冷却，从而获得非常细密的非平衡快速 凝固组织。在较大的程度上增强了材料表层的耐磨性和耐蚀性， 使材料性能得到改善。
优点
（1）表面熔化时可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝 层与材料基体形成冶金结合。 （2）熔凝过程中，可以排除杂质和气体。 （3）其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响 不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。 （4）提高溶质原子在基体中固溶度极限。
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激光表面改性技术
北京航空航天大学材料科学与工程学院
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激光的概念及其特性
激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波．激光束由一 系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0．1 mm)， 从而可以获得极高的功率密度(104-109w/cm2)。激光与金属之间的互相作用 按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的 改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。 随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展．激光技术 进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发 展。
激光表面合金化原理示意图
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优点
（1）发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。 （2）合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀。 （3）激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处，但激光熔覆后， 体成分基本上不进入涂层中，而激光表面合金化形成的表面层 是合金涂层与基体共同形成的混合层。